变形机理（精选9篇）
变形机理 篇1
顶管施工是市政管道不开槽施工的一种方法,由于其不需要开挖地面就能在地下埋设穿越公路、铁路、河道、湖泊、建筑物等的市政管线,故在各种管线埋设工程中得到广泛的应用。相对于市政管道的开槽施工,其优点主要有:1)管线埋设工作在地下进行,施工噪声小,对市民干扰小;2)不开槽,土方量小,占用场地不大;3)对地面交通,特别是城市中心区交通影响不大;4)不进行地面开挖,可以跨越地面障碍。但由于顶管施工会对地下土体产生扰动,由此而引起的地面沉陷,通常对地面建筑物及周围其他管线产生安全隐患。因此,有必要对顶管施工引起地面沉降的变形机理进行详细分析,找出引起地面变形的重要因素,建立地面变形的计算方法。篇幅所限,本文主要分析变形原因。
1 顶管施工工艺
如图1所示,顶管施工的基本过程是施工前先开挖工作井和接收井,从工作井将工具管吊下,在工具管前开挖土方,将工具管通过千斤顶顶入土中,然后吊下首节待铺设管道,紧随工具管顶入土中,一节顶完再下另一节管道,如此循环,直到到达接收井,将工具管从接收井吊起回收,完成整个管道铺设。
顶管施工工艺主要包括施工准备、测量放样、工作井及接收井施工、设备安装调试、下管、管道顶进、接口处理、闭水试验、竣工验收等几个工序(见图2)。其中对土体有扰动影响的是工作井及接收井的施工、管前挖土及管道顶进三个工序。
2 变形机理分析
2.1 工作井的开挖对土体的影响
工作井是顶管施工过程中的重要构筑物,同时也是顶管施工的主要工作场所。尽管其开挖的同时会对井壁进行支护,以保证施工安全,但因土体扰动及工作荷载等方面的原因,其肯定会对土体变形产生影响。只不过由此引起的变形影响范围较小,一般距工作井边沿在一个井深范围内。
2.2 管前开挖对土体的影响
管前开挖时,在掘进机械的反复振动影响下,周围土体中的部分水及气体被排出。在施工前方较远处,由于土体密实而使地面略有下沉。开挖面附近土体,由于临空面的形成,使土体中水平应力减小,加上振动荷载的反复作用,使得土体有向临空面方向凸出的变形,而使地面下沉。施工后方已顶入管道部分,受到的扰动最大而且持续时间是最长的,由于管道外壁与土体之间空隙的存在,在振动作用下,空隙体积将进一步减小,地面下沉要较施工前方较远处大。
2.3 千斤顶顶出对土体的影响
1)管道顶进对施工开挖面处土体的影响。在施工开挖面位置处,管道顶进的过程中,土体变形比较复杂。一方面,由于顶进对开挖面土体的挤压作用,土体产生向上隆起的变形;另一方面,由于挤压应力的存在,土体进一步向临空面方向变形而使地面略有下沉。最终由于千斤顶顶出而引起的地面变形与千斤顶顶进速度、顶力大小及土质等因素有关。2)管道顶进对施工前方较远处土体的影响。在施工前方较远处,开挖临空面对土体的影响基本消失,在管道顶进压力的作用下,土体水平应力增大,地面有轻微抬升。3)管道顶进对掘进机位置处土体的影响。为了减小摩阻力,掘进机外壁一般较后续管节外径要大2 cm～5 cm。管道顶进时掘进机外壁与土体之间将产生较大的摩擦力,这种摩擦力使土体中与掘进机外壁接触部分产生与管道顶进方向一致的剪切应力,从而使土体产生水平方向的剪切位移。剪切应力的大小与土质、顶进速度等因素有关。4)管道顶进对后续管节位置处土体的影响。掘进机后面的后续管道直径要较掘进机外壁小,当千斤顶顶进时,掘进机位置处的剪切应力使后续管节位置处的土体中产生水平应力减小,土体有向下松弛的趋势。当掘进机通过后,紧随掘进机后的土体也有向空隙回弹侵占部分空隙的变形。
2.4 千斤顶回收对土体的影响
1)顶杆回收对施工前方较远处土体的影响。顶杆回收后,施工前方较远处土体水平应力有所恢复,由前面管道顶进所引起的土体微升变形也会有一定的消散。但由于土体弹塑性变形的特点,在千斤顶反复顶出和回收作用下,土体总的变形趋势仍然是逐渐微小抬升。2)顶杆回收对施工开挖面处土体的影响。在施工开挖面处,顶杆回收后,顶进压力消失,土体向临空面方向回弹,地面下沉。这部分变形与顶进长度等因素有关,当顶进长度达到一定数值时,由于管道摩擦力的存在,这部分变形将会很小。3)顶杆回收对后续管节位置处土体的影响。顶杆回收后,后续管节位置处土体中的水平应力也有所恢复,但这种水平应力的恢复并不是使该位置处的土体恢复向下松弛变形,相反比顶进时增加的水平压应力使土体向下变形进一步增大。
2.5 引起土体变形的非施工工艺因素
顶管施工中,除了由于施工工艺对土体产生扰动直接引起地面变形外,很大一部分变形是由于一些偏差及受扰动土体的固结引起。纠偏时,一侧土体受较大压力使土体产生挤压变形,同时另一侧则形成较大空隙而引起土体位移。
3 结语
本文从顶管施工的整个施工工艺过程出发,逐个环节讨论了顶管施工引起地面变形的机理。从以上论述可知,顶管施工对土体扰动最大的位置应在开挖工作面及以后的位置,其产生的变形也不光是地面的沉陷,局部位置也会隆起。施工开挖面位置处由于剪切应力和压应力的存在以及各种应力的交替变化,变形趋势比较复杂,与具体的施工方法及管径大小等因素有关;后续顶入管节部分,由于空隙的存在,土体在水平应力“一张一弛”作用下,会发生较大沉陷。另外由于施工时控制不严等原因而产生的超挖等都会在这一部分引起较大的地面变形。
摘要：从顶管施工的整个施工工艺过程出发,详细分析了顶管施工引起地面沉降的变形机理,找出引起地面变形的相关因素,并指出顶管施工对土体扰动最大的位置应在开挖工作面及以后的位置。
关键词：顶管施工,土体扰动,地面变形,千斤顶
参考文献
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[5]余小琴.顶管施工偏差原因及预防方法[J].交通科技,2002(195):17-18.
变形机理 篇2
浅埋偏压隧道洞口变形机理及治理措施研究
通过现场地质调整,对隧道施工中出现的变形破坏迹象及岩体结构特征进行了细致的分析,研究了岩体的变形破坏机理,揭示了该边坡在隧道开挖状态下的.变形发生规律及变形破坏模式,提出了边坡稳定的改善措施.
作 者：宋刚 SONG Gang 作者单位：中铁二局集团勘测设计院有限责任公司,四川,成都,610031 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)：2010 36(1) 分类号：U457 关键词：浅埋偏压隧道 零开挖 岩体结构 变形机制变形机理 篇3
摘要：当前经济建设的飞跃发展，近年兴建的各类商品建筑楼房不断增加，国家规定的商品混凝土及泵送混凝土的应用日益普及，但现浇楼板及屋面板裂缝现象也越发突出，本文结合多年的工作经验，对楼板裂缝产生的原因及修复措施进行了探讨。
关键词：楼板裂缝钢筋模板混凝土温度应力养护
0引言
住宅楼现浇混凝土楼板裂缝问题与渗漏问题是目前居民住宅质量投诉的重点，而从剪力墙结构与砖混多层结构投诉情况来看，砖混结构裂缝发生率更高，大部分裂缝表现为表面龟裂，也有贯穿裂缝，既有纵向、横向，也有斜向以及无规则裂缝。一般对实际使用无多大危害，但仍应进行有效控制，特别是避免有害裂缝的发生。
1楼板裂缝特点
裂缝最多的是房屋西南向阳角处，或外侧发生45度左右的楼地面斜角裂缝。有些呈断裂贯穿状，即从板面和板底均可见，不仅影响外观，还可引起渗漏、钢筋腐蚀和混凝土碳化等，影响建筑物的耐久性，并给用户带来严重的不安全感，此类通病在现浇楼板的任何一种类型的建筑中都普遍存在。
2混凝土裂缝产生机理
混凝土作为一种复合建筑材料，由于其组成材料的多样化以及各组成材料间物理化学作用的多变化，致使混凝土的物理力学性能与很多因素有关，混凝土抗压性能良好而抗拉性能很差，抗拉强度只有抗压强度的1／8－1／20，并且不与抗压强度成比例地增加，其极限拉伸变形很小，因而极易产生裂缝。通过近代仪器已经发现混凝土在受荷载以前，在硬化后的混凝土内部，尤其是在胶结料与骨料的界面上总是存在着大量的微观裂缝，其分布有随机性，而这些裂缝在外界荷载作用下或环境变化时会发展而形成可见宏观裂缝，目前规范或规程按计算控制的主要是宏观裂缝。对于荷载引起的裂缝，当构件中的主拉应力大于混凝土的抗拉强度或主拉应变大于混凝土的极限拉伸应变时混凝土就会产生裂缝，如受弯构件受拉区的弯曲裂缝、弯剪裂缝等。温度引起的裂缝一种情况是大体积混凝土因水泥水化热导致内外温差过大所引起的温度应力超过混凝土早期抗拉强度时引起的裂缝，另一类是混凝土因环境温度变化而产生膨胀或收缩变形，其中收缩变形又受到外界的约束或内部钢筋的阻碍而产生裂缝。
其它还包括混凝土硬化前产生的表面裂缝、混凝土收缩变形时受到约束产生的裂缝、材料不良引起的裂缝等。对于目前住宅现浇楼板存在的裂缝问题同样没有形成比较一致的处理意见，而更多的是从设计上采取一定构造措施、施工中加强混凝土配合比控制和养护等几方面提出相关建议，从实际效果来看确实收到了一定成效，但楼板裂缝的形成原因确实有其特殊性和复杂性，无法以一般大体积混凝土裂缝控制、非荷载原因来解释分析，对于砖混结构、剪力墙结构等也有其截然不同的分布规律和形态特征。
3变形作用引起的楼板裂缝分析
3.1温度应力引起的裂缝分析根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：①早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。②中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。③晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起的原因可分为两类：a自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。b约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述。
3.2混凝土收缩引起的裂缝收缩裂缝顾名思义其产生原因就是混凝土硬化后水份蒸发体积收缩。从理论上讲当混凝土在无任何约束而处于自由收缩时，不会产生裂缝的，而实际工程中，混凝土总是受到各种约束的，如两端的约束、内部配制钢筋的约束等。由于混凝土收缩过程中受到约束，因而内部产生拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会产生收缩裂缝。一般来讲，混凝土受到的约束越大，其产生的收缩裂缝越多或越宽。由于混凝土体积收缩是因为水份蒸发、干燥导致的，因而收缩裂缝也通常称为干缩裂缝。
一般情况下，几个月以后，混凝土体内多余水份蒸发已基本完成，混凝土内湿度与环境湿度基本趋于一致，因而收缩裂缝的宽度发展也趋于停止，处于相对稳定状况。当然，之后还将随着环境湿度和温度的变化而略有变化，当环境湿度变大时，混凝土将吸取空气中的水份，而收缩裂缝变窄些，反之当环境湿度变小时，混凝土收缩裂缝将变宽些。另外，还随着环境温度变化，混凝土也将产生热胀冷缩现象，因而收缩裂缝也会随着环境温度的升高而变窄些，反之，随着环境温度的降低而变宽些。
4楼板裂缝的常规修复
4.1混凝土裂缝的修复时机无论混凝土是何种因素引起开裂，包括内应力和外应力，从技术角度考虑其修复时机都应选择在裂缝基本稳定后才实施。如收缩裂缝的修复应等其收缩基本完成后再实施。
4.2混凝土裂缝的修复方法
4.2.1宽度≤0.3mm，混凝土裂缝的修复①修复性质：封闭性修复；②修复目的：恢复使用功能和耐久性；③修复方法；a表面封闭法：沿裂缝表面涂刷聚合物或环氧类封闭材料。b浅层封闭法：沿裂缝将混凝土凿成三角槽，三角槽内混凝土界面处理，在槽内嵌入修复材料。修复材料可视裂缝变形情况分别采取无机刚性修复材料和聚合物微变形或有机柔性修复材料。c化学(环氧类)灌浆法：采用的灌浆修复材料为低粘度亲水性环氧树脂，此方法最大的优点是修复材料能在空气压力作用下灌入混凝土裂缝深处，并填充于混凝土裂缝中，从而从根本上达到封闭裂缝的修复目的。
因此，采用这些材料对混凝土裂缝灌浆后，不仅能有效地对裂缝进行封闭，同时，也兼有补强加固的作用。另外，在配制化学灌浆材料的过程中使其增加一定的柔韧性，这对提高混凝土裂缝修复质量从而提高工程的整体质量是相当有益的。
4.2.2宽度＞0.3mm，混凝土裂缝的修复a修复性质：封闭与加固性修复。b修复目的：恢复混凝土结构的承载力、使用性能、耐久性能。c修复方法：粘钢板加固一防腐、防火处理。
化学(环氧类)灌浆封闭裂缝一粘贴碳纤维布加固或粘贴碳纤维板加固－防火处理。
变形机理 篇4
中国煤炭资源较为丰富, 随着成煤条件不同, 煤层厚度和煤层之间距离也不相同, 煤层厚度最大可达上百米, 由于中间有夹矸, 可将煤层分为几层到十几层, 就形成了煤层群。对于煤层群的开采, 在煤层间距较大时, 上部煤层的开采对开采下部煤层影响较小, 它和普通的单一煤层开采一样。但是, 当煤层之间距离较小时, 上部煤层开采直接破坏下部煤层的顶板稳定性, 而且由于上部煤层留取一定的保护煤柱, 使下部煤层出现应力集中现象, 严重影响煤矿安全生产。中国近距离煤层群分布较为广泛, 对近距离煤层群生产过程中, 煤柱留设和支护方式的研究, 成为能否实现煤矿安全、高效生产的关键问题[1]。
1 浅埋近距离煤层群巷道变形机理
近距离煤层群的相互影响, 主要是开采过程中对邻近煤层顶板稳定性的破坏及留设煤柱使应力分布改变方面。在煤的形成过程中, 煤层赋存条件区别很大, 上下煤层之间的距离是对煤炭开采影响最大的。现在煤矿多采用下行开采的顺序, 上部煤层回采过程中使得应力重新分布, 对周围媒体造成应力集中, 然而这种应力集中会延伸到底板以下, 当煤层间距很小时, 就会影响下部煤层的应力分布情况, 特别当顶板结构遭到破坏时, 下部煤层回采过程中, 就易产生冒顶和漏顶事故。那么, 要想合理布置近距离煤层群回采巷道及其控制方式, 就必须明确开采过后围岩应力分布特征和巷道变形特点。
1.1 采动过程中巷道围岩应力变化
在未受采动影响区, 岩层处于弹性变形阶段, 这阶段岩体应力分布均匀, 掘进巷道之后, 应力分布改变, 产生应力集中现象。围岩应力较小区域, 岩体本身强度没有发生变化, 围岩仍处于弹性阶段。围岩应力很大时, 破坏了岩体本身的强度, 形成塑性区。在塑性区以内, 围岩强度降低, 发生破裂, 本身承载应力的能力下降, 应力较小。在塑性区以外, 与弹性区之间, 应力分布呈现升高阶段。支架支护作用主要在塑性区, 此时的应力降低是由于围岩结构受到破坏, 围岩承载上覆岩层压力的能力降低。围岩应力随着上覆岩层压力增大而增强, 达到围岩强度极限后, 发生变形, 强度逐渐降低, 直至成为塑性阶段, 围岩应力小于原岩应力, 形成强度弱化[2]。
1.2 巷道围岩变形探究
巷道掘进和回采过程中, 形成一定的空间, 使围岩处于双向受力状态。受上覆岩层压应力作用, 围岩发生张拉破坏和剪切破坏。若对巷道不进行维护, 张拉和剪切破坏共同作用下, 围岩呈片状被逐层剥落, 巷道跨度大大增加;张拉破坏一直延伸到岩层深部, 通过对围岩的逐层剥落来调整围岩应力分布和应力大小, 直到围岩应力不会发生张拉破坏, 巷道围岩处于稳定阶段[3]。
回采巷道围岩变形与煤层距地表距离、回采过程岩层运动影响及围岩本身强度有着很大的关系。浅埋近距离煤层群开采过程中, 由于采场工作面的支护作用使得应力升高, 围岩应力高于原始应力, 围岩强度达到破坏极点后, 发生较大的位移, 围岩应力也随着变形逐渐减小。
2 煤层群巷道布置及煤柱留设探究
浅埋近距离煤层群由于本身距离地表较近, 应力的变化不易控制, 容易对地表产生破坏。煤层之间间距较近, 采用下行开采对下部煤层造成影响较大, 上部煤层底板应力场影响下部煤层顶板应力分布, 上部煤层煤柱留设不合理对下部煤层回采巷道布置造成困难。下部煤层巷道布置位置关系到围岩变形程度及支护难易程度。对下部煤层巷道布置方式规划设计, 使得上部煤层应力分布集中区对下部煤层巷道影响极小, 回采过程能够持续进行。
2.1 回采巷道布置位置探究
上部煤层巷道回采完成后, 根据下部煤层回采巷道布置位置不同, 将巷道布置方式分为以下方式:a) 外错式布置。外错式布置是下部煤层回采巷道布置在上部煤层遗留的煤岩体下。外错式布置的优缺点:外错式布置方式使得下部煤层留设煤柱较小, 煤炭损失较小。但是由于下部煤层巷道围岩处于煤柱之下, 应力相对集中, 巷道维护较困难, 特别是层间距较小, 岩层稳定性较差的煤层群之间, 不适于采用外错式布置方式;b) 重叠式布置。重叠式布置是将下部煤层回采巷道布置在上部煤层回采巷道的正下方向。重叠式布置的优缺点:该布置方式有利于对浅埋煤层地表开采损害的控制, 但是由于媒体较软, 上部煤层煤柱位于下部煤层工作面巷道两侧, 下部煤层巷道两帮应力较大, 容易发生片帮, 巷道两帮维护较困难;c) 内错式布置。内错式布置是将下部煤层回采巷道布置在上部煤层回采过的区域下方。内错式布置优缺点:下部煤层巷道的顶板位于上部煤层的采空区内, 从而使应力处于降低区, 利于下部煤层工作面巷道维护, 同时下部煤层留有较多煤柱, 提高岩体稳定性, 可以降低地表开采损害程度。但是由于下部煤层煤柱留设宽度较大, 造成煤炭损失较大, 回采率降低。
2.2 煤柱留设依据
煤柱留设的理论依据主要是:煤柱荷载选取、煤层采动后底板岩层的应力重新分布、浅埋煤层地表开采损害、工作面回采率等。煤柱上的荷载是指上覆岩层的压力和采空区悬落岩石传递的压力, 煤柱需满足这样的荷载要求。上部煤层回采过程中, 对煤层底板造成部分破坏, 应力分布发生改变, 使得下部煤层应力分布不均匀, 加大下部煤层开采难度。
3 回采巷道控制技术
浅埋近距离煤层群下部煤层工作面巷道布置方式的合理性, 对巷道在整个回采过程的维护起关键性作用。现场经验表明, 将巷道布置在上部煤层遗留的部分岩体之下, 使之处于应力降低区, 便于巷道管理, 成功避开了应力集中区。
除了对回采巷道布置方式的制定以外, 还要采用相应的支护措施进行巷道控制。支护系统可以降低作用在回采巷道的应力, 使巷道保持稳定;另外煤岩体发生破坏, 导致围岩出现较大变形, 也诱发支护系统受损。由此支护系统不仅满足对巷道的支护作用, 而且当巷道围岩变形较大时, 还需要补强措施。现在煤矿主要采用1级基本支护系统是由锚杆配合锚网支护系统、单体锚索和桁架锚索支护系统或短锚索为2级强化支护手段, 有利地强化了煤层巷道顶板和两帮的整体性。锚杆支护巷道主要表现在:a) 使围岩三向受力, 围岩抗压性提高;b) 增大了围岩的粘结性, 围岩趋于完整性, 提高了围岩的内聚力;c) 减轻围岩受剪切应力的破坏。锚索支护巷道主要是:a) 提前给定加固的力作用;b) 整体加固作用;c) 组合梁作用[4]。
4 结语
上部煤层回采过后, 遗留的岩体和煤柱使得应力分布不均匀, 下部煤层巷道位置选择应考虑这些因素。下部煤层巷道布置在低应力区, 受回采影响较小, 围岩变形不会太大, 巷道容易维护。采用合理的巷道布置方式, 不仅可以避免高应力区的施压, 而且减少了采动对工作面的影响。浅埋近距离煤层群回采巷道的支护系统不仅需要基本支护, 而且还要在巷道围岩发生变形后, 采取补强措施, 并合理布置其参数。
摘要：通过分析巷道围岩位移变化, 提出上部煤层回采过程使下部煤层应力不再均匀分布, 使煤层顶板完整性受到破坏, 易出现漏顶、冒顶事故。因此, 需要合理布置巷道位置, 使其远离高应力区, 同时, 加强回采巷道支护, 控制巷道围岩变形。
关键词：煤层群,回采巷道布置,变形机理,控制技术
参考文献
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水泥净浆热变形机理分析 篇5
1 含水率对水泥净浆热变形的影响机理
目前,普遍认为水泥净浆的热膨胀系数取决于浆体龄期、含水率和水灰比,研究较多的是含水率对成熟水泥净浆的影响机理[2,3,4],而龄期对其影响的机理研究较少[5]。Bazant[2]在上世纪70年代认为水泥基材料的热变形由3部分组成:1纯热膨胀,由组成材料的热膨胀产生;2热缩或热胀,由固体颗粒周围附着的可扩散水层不同的潜热(熵)引起;3湿热膨胀,在给定含水率的情况下,由随温度变化的相对蒸汽压引起,即当含水率不变时,温度改变引起的内部相对湿度变化引起的膨胀。
从上世纪中叶至今,有学者[6,7]认为水泥净浆的热变形是由以下两部分组成:1第一部分是在没有湿热变化下测得的热膨胀系数αsolid,是由于分子的热运动所产生的(与其他材料一样),不受浆体含水率的影响,其大小可认为是完全干燥或完全饱和状态下水泥净浆的热膨胀系数;2第二部分是受到含水率等因素影响的附加热膨胀系数或湿热膨胀系数αhygro,这是水泥净浆热膨胀系数变化的主要原因,图1显示的是毛细孔饱和度(DCS)对水泥基材料热膨胀系数的影响[4],其中重要的现象是当DCS从饱和状态减小时,热膨胀系数显著增长,此处毛细孔饱和度(DCS)与浆体内相对湿度(RH%)密切相关。
对于第一部分热膨胀系数αsolid而言,是由纯粹的分子热运动造成的,其产生机理不存在异议;而对于第二部分热膨胀系数αhygro,不同研究者对其发生机理有着不同解释。
Meyers[8]对附加膨胀系数的解释是在给定含水率时,温度的升高引起毛细水表面张力减小,所以毛细水从毛细孔迁移出来,进入到胶凝孔以后被吸收而产生湿胀,湿胀和热胀的共同作用使得饱和试件的热膨胀系数明显大于完全饱和或完全干燥的试件。
Powers等[9]把附加热膨胀系数解释为温度的升高引起浆体中毛细水的膨胀,因为水的热膨胀系数远大于水泥浆体,水和水泥浆体不能同步变形,毛细水的表面曲率必然减小,从而导致毛细管张力的减小。水的表面张力本身也与温度有关,温度升高,表面张力降低。因此,在温度升高时,毛细管张力会降低,给“纯热膨胀”增加了附加的膨胀;温度降低时,效果则相反。由此可解释在干燥和完全饱和状态下热膨胀系数小于半饱和状态,因为在这两种状态下,水泥净浆的内部无毛细管效应。
2 水泥净浆热变形中的“滞后变形”
水泥净浆的“滞后变形”,与水泥基材料浇筑后因水化热过高引起的钙矾石滞后膨胀[10,11]有着本质的区别。Gabriel[12]对“滞后变形”的解释为:由于水的热膨胀系数(210x10-6℃)超过水泥净浆一个量级,在温度升高后,水产生的膨胀大于浆体产生的膨胀,两者变形不协调,水泥浆体抑制了水的膨胀,而水则支撑了水泥浆体,使得其膨胀更大,但浆体有孔隙,膨胀的水可以慢慢迁移到浆体的低压力的大孔隙内,这种支撑作用逐渐减弱,浆体逐渐恢复自身的膨胀,这种温度升高产生的孔隙水的膨胀压力与试件的附加膨胀变形随时间发展而减小,从而导致了滞后变形的产生。
在文献[4]中讨论了Powers[9]和Helmuth[13]解释饱和的水泥净浆试件产生“滞后变形”的机理,Powers和Helmuth认为仅用温度变化时胶凝孔与毛细孔之间水的迁移重分布就可解释“滞后变形”的产生,忽略了水的高膨胀系数的作用,而这与HUA AI等[14]发现的水泥净浆试件“有较强尺寸效应”的结论相违背,因为凝胶孔与毛细孔之间水的迁移重分布是在试件内部进行的,与试件尺寸关系不大,所以用凝胶-毛细孔理论来解释“滞后变形”显得牵强。
3 龄期对水泥净浆热变形的影响机理
水泥净浆的龄期是水泥净浆热膨胀系数变化的又一重要因素,但研究很少,仅限于少量定性的宏观描述。在文献[15]中指出,水泥基材料的热膨胀系数在其从流态转变为固态的时间过程中会不断减小,并在终凝前后达到最小值,终凝后其热膨胀系数会缓慢回升。这种现象的宏观机理在于:在终凝前水泥基材料存在大量的自由水,且自由水相互连通作为整体存在;而终凝后基体的骨架基本形成,自由水的整体性遭到破坏,自由水受到密闭而成为无数微小水粒,而后水泥基材料的热膨胀系数的增加是因其内部自由水不断被消耗,内部不断被干燥,从而开始受到含水率对热膨胀系数的影响。Neville[16]认为,随着龄期增长,水泥净浆的膨胀会降低,因为在水泥净浆中胶凝物质会随着龄期而增加,闭合了净浆中的毛细孔,并举例说明蒸汽养护的水泥净浆不受相对湿度的影响因为水泥浆体中只有少数凝胶孔在蒸汽养护条件下存在。
有关龄期对水泥基材料热膨胀系数的影响机理还处于定性分析阶段,是因为水泥净浆在不同龄期时的热膨胀是变化的,而这些变化的机理至今尚未真正解释清楚,而龄期的影响是基于这些基本机理清楚的基础之上的。
4 结语
有关水泥基材料热膨胀系数机理研究尚未成熟,对于研究较多的成熟水泥基材料热膨胀系数机理而言,用凝胶-毛细孔机理以及吉布斯化学能机理[4]解释含水率固定情况下热膨胀系数的变化,用相对湿度机理解释含水率变化时热膨胀系数的变化,用水的高膨胀机理和浆体多孔性解释“滞后变形”的发生,都还存在诸多问题,尚未得到公认。造成多年来在机理上无法突破的原因,固然有水泥基材料的复杂性,更重要的是严重缺乏与机理研究相关的试验数据支持,或是没有足够的试验数据对相关机理理论进行验证或者反证,如孔隙水压力的测量。
危岩楔形块体变形破坏机理研究 篇6
1 分析危岩形成的条件和影响因素
危岩楔形块体的发育是一个漫长过程, 受诸多因素影响, 本文通过对危岩楔形块体发育影响因素的分析, 将危岩的影响因素归纳为内部因素和外部因素, 内部因素包括:重力、岩性组合和水文地质条件等;外部因素包括:地震影响、气候因素和人类相关活动等[1~4]。
那么, 内部因素中对危岩楔形块体稳定性影响最大的是重力。重力是危岩楔形块体失稳的主动力, 以重力为主要外营力引发危岩的崩塌、滑塌、坠落、倾倒等屡见不鲜, 主要形式有蠕动、泻溜、崩塌和滑坡等。外部因素中地震对危岩楔形块体失稳影响最大。地震以及不适当的大爆破施工是引起危岩崩塌失稳的强烈触发因素。调查统计表明:山区的地震往往引起大规模的危岩破坏失稳, 造成严重的地质灾害。地震作用时, 产生垂直和水平向地震力作用, 使边坡岩体中结构面强度降低, 应力释放, 产生的结构面和已有的结构面更加发育。对于破碎岩体, 尤其产生的水平的地震力易使其失去稳定性。岩体中裂隙水压力对危岩的稳定具有重要的影响, 岩体中的应力对裂隙的影响较为敏感, 应力变化将导致岩体裂隙的张开或闭合, 那么在地震的作用下形成动水压力, 给危岩造成不利影响。
2 工程实例
某天然岩质边坡, 坡高9m, 坡面倾角53°, 密度2400kg/m3, 剪切模量3.58GPa, 体积模量4.07 GPa, 粘结力为1700KPa, 内摩擦角为34°, 剪胀角为5°, 抗拉强度为516KPa, 泊松比为0.16。危岩楔形块体高4m, 楔形块体两平面法线方向分别为 (6, 4, -9) , (-6, 4, -9) , 两平面交线倾角24°, 危岩体后主控结构面粘聚力70 KPa, 内摩擦角为25°, 法向刚度为200 KPa, 切向刚度60KPa。
本文通过静力解析法, 赤平极射投影法和FLAC3D数值模拟法分析该危岩楔形块体的稳定性和变形失稳机理。
2.1 静力解析法
裂隙水压力和地震力计算公式为:
式中, FW为危岩体贯通裂隙高度1/3处的裂隙水压力, 单位为KN;γW为水的容重, 单位为KN/m3;P为水平地震力μy为地震力系数, μy的取值与地震震级有关;W为危岩体自重力。
危岩楔形块体静力解析法计算模型见 (图1) , 图中AB为主控结构面长度。
其倾角为β、等效强度参数c、φ。针对主控结构面进行分解如下:
假定主控结构面上的法向分量和切向分量沿着主控面均匀分布, 则分别得到主控结构面的平均法向应力和平均剪应力分别由下列公式计算:
进而可得到主控结构面的抗剪强度τf进而确定危岩的稳定系数FS
根据式静力解析公式1~7, 取0.05, 计算结果如下:W=5644800;P=282240;Q=52811;N=5043655;T=2550485;FS=1.14根据三峡库区地质灾害防治工作指挥部提出危岩稳定状态判别标准, 此危岩楔形块体处于欠稳定状态。
2.2 赤平极射投影图
根据工程实例经计算得表1的危岩楔形块体的结构面参数, 然后采用赤平极射投影法[2]危岩楔形块体的赤平极射投影投影图如图2。
从图2可以看出, 两组结构面交线OP的倾向与坡面一致, 但倾角小于边坡倾角, 危岩楔形块体属不稳定结构。
2.3 FLAC3D数值模拟
本文应用FLAC3D对工程实例的危岩楔形块体进行变形失稳机理分析。通过FLAC3D软件模拟, 监测危岩楔形块体的变形的位移云图见图3, 监测接触面状态通过统计计算有91%的网格节点发生破坏。
通过软件模拟可以得出如下结论:a.通过危岩楔形块体变形的位移云图可见, 变形最大出现在危岩楔形块体和岩质边坡接触面附近。b.通过监测接触面状态, 有91%的节点发生破坏, 说明危岩楔形块体变形最大的位置也是危岩楔形块体发生破坏的位置。c.那么, 通过结论1和结论2可以判定, 如果危岩楔形块体发生变形失稳一定沿着危岩楔形块体和岩质边坡接触面发生。
3 结论
在危岩楔形块体变形失稳发育中, 重力、地震力和裂隙水压力起主导作用。对某工程实例采用静力解析法和赤平极射投影法判定某危岩楔形块体处于欠稳定状态, 再应用FLAC3D软件分析此危岩楔形块体变形失稳机制, 得出如下结论:a.危岩楔形块体变形最大出现在危岩楔形块体和岩质边坡接触面附近;b.危岩楔形块体变形最大的位置也是危岩楔形块体发生破坏的位置;c.如果危岩楔形块体发生变形失稳一定沿着危岩楔形块体和岩质边坡接触面发生。静力解析法 (定量) 、赤平极射法 (定性) 和数值模拟法三种模拟方法有机结合在一起, 从而有效的明确危岩楔形块体体的变形破坏机理。
摘要：本文从影响危岩楔形块体发育的因素着手, 首先应用静力解析法、赤平极射投影法分析某危岩楔形块体在重力、地震力和裂隙水压力作用下的动力稳定性, 然后再应用FLAC3D对此危岩楔形块体变形破坏机理分析, 通过分析得出如下结论:1、危岩楔形块体变形最大出现在危岩楔形块体和岩质边坡接触面附近;2、危岩楔形块体发生破坏的位置也是危岩楔形块体变形最大的位置;3、如果危岩楔形块体发生变形失稳一定沿着危岩楔形块体和岩质边坡接触面发生。静力解析法 (定量) 、赤平极射法 (定性) 和数值模拟法三种模拟方法有机结合在一起, 从而有效的明确危岩楔形块体体的变形破坏机理。
关键词：动力稳定性,变形失稳,危岩楔形块体,静力解析法,赤平极射投影FLAC3D
参考文献
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变形机理 篇7
关键词：土体蠕变,桥台变形,机理分析
软土地区的桥梁,随着服役时间的延长,桥台在台背填土与汽车荷载的长期作用下,易出现沉降或向前推移的现象。填土越高,作用时间越长,这种现象越明显,土基础的变形会引起桥台和墩帽梁处开裂、伸缩缝装置破坏而机动性能受阻、行车过程中发生跳车等病害。分析桥台土基础的蠕变特性,研究桥台的长期变形机理,是解决病害的必要途径。
土基础的蠕变,是土体在桥台重力、台背填土的压力、行车荷载等耦合作用下,随时间的变化发生的缓慢变形。土体的蠕变理论,有基于Laplace变换及其逆变换的解析法和基于串并连元件的模型法。前者主要用于研究土的蠕变特性,后者便于有限元法的程序设计,所以在工程实践中逐渐推行并取得了较好成果。运用ABAQUS有限元软件的蠕变分析模块,研究桥台的长期变形机理。
1 桥台蠕变有限元模型
1.1 土体蠕变本构关系
采用扩展DRUCKER-PRAGER蠕变模型的时间硬化法则,其本构关系为
式中:为等效蠕变应变率,值为为等效偏应力;t为时间;A,n,m分别为常数项,用于表征该材料的蠕变特性。
式(1)表征的是蠕变应变与时间及等效应力的关系,积分后结果如下式
式中:n>0;0≥m>-1;A,n,m必须在土体蠕变实验数据拟合后获取。
1.2 有限元模型
以重庆市某跨度为28 m的简支梁桥为例,建立桥台有限元分析模型,如图1所示。土体采用Drucker-Prager准则,考虑蠕变与硬化特性,桥台采用线弹性模型,网格为四结点双线性平面应变四边形单元CPE4。
2 桥台变形机理分析
2.1 蠕变分析
选取如图1所示的桥台1~4处为例,分析在土体蠕变作用下的变形特性。桥台各关键位置周围土体的蠕变变形会随时间变化而发生改变(见图2)。
图1 桥台有限元分析模型
图2 桥台各关键位置的蠕变位移随时间变化
从图2可以看出,在土体蠕变启动初期,各监测点产生较快的滑移变形,之后变形速率逐渐减小,经历一段时间后,变形速率趋向较小的稳定值,进入匀速缓慢变形阶段。可见桥台在荷载长期作用下,由于土基础的蠕变,会发生减速变形,从而导致桥头的沉降和开裂等病害。
2.2 应力场与应变场分析
在蠕变启动初期,土基础应力场呈现随深度均匀增加的分布状态(见图3)。在发生蠕变后,桥台底部土体应力增加(见图4)。随着时间的增长,土基础产生蠕应变(见图5)。随着土体厚度的增加,蠕变减小。土体蠕变推动桥台产生水平位移(见图6)。桥台上半部水平位移较大,下半部位靠近土基处水平位移相对较小,桥台有倾覆趋势。同时,整体发生竖向位移,导致桥台面与路面产生沉降及撕裂。
3 桥台变形防治措施
基于桥台的长期变形机理,从土基础物理特性和桥台结构形式两方面考虑,采取防治措施。
1)改善土基础的物理力学性能,增加土体刚度,从而增加土体蠕变的启动应力,控制启动或降低蠕变,减缓桥台的变形。
2)采用桩基础,特别是群桩基础,桥台上的部分荷载由桩基传递到土层深部,从而降低桥台底部土基础的应力。土基础在低应力作用下不易产生蠕变,桥台不会由于土体蠕变而产生变形。
图3 未蠕变时应力场分布
图4 蠕变后应力场分布
图5 蠕应变场分布
图6 蠕变后水平位移场分布
4 结论
由于土体的蠕变特性,服役期的桥台随着时间的增长,会发生明显的变形而产生病害。采用ABAQUS有限元软件的蠕变分析法,有效揭示了桥台长期变形的机理。得到以下结论:
1)在桥台重力和桥面荷载的长期作用下,土基础发生减速蠕变。在蠕变启动初期,桥台产生较快滑移变形,之后变形速率逐渐减小,经历一段时间后,变形速率趋向较小的稳定值,桥台匀速缓慢变形。
2)改善土基物理特性,桩基础传递的桥面荷载可到达较深的持力层,降低土基础应力,减小蠕变速度,从而减缓桥台长期变形。
参考文献
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付家岩滑坡变形特征及形成机理 篇8
三峡库区是我国滑坡地质灾害最为严重的地区之一,其中重庆市万州区的滑坡灾害尤为突出,有许多滑坡发育在近水平地层中,付家岩滑坡为其中具代表性的一个。该滑坡对已建的移民迁建工程(居民区、移民复建公路、一所小学等)、高速公路等构成了严重威胁。2003年,该滑坡被纳入国家重大工程专项———“三峡库区地质灾害监测预警工程”之二期专业监测项目中,于2003年9月完成监测网建设,随后实施专业监测工作。
付家岩滑坡的物质来源与结构成因主要包括四方面:
(1)坍塌堆积;(2)坡残积;(3)冲洪积;(4)滑坡堆积。
本文主要围绕付家岩滑坡的变形特征和形成机理研究来展开。在充分收集区域地质环境条件、多年监测资料的基础上,通过现场调查研究,掌握了付家岩滑坡的基本地质特征。在系统总结、分析滑坡多年监测数据后,应用监测反分析技术,深入系统地研究了付家岩滑坡的变形特征和形成机理。
1 地质环境条件
三峡库区横跨川鄂褶皱带中段和川东弧形褶皱带东段,北为大巴山弧形褶皱带,东南与长阳东西向构造带相邻,西南有川黔南北向构造带插入,东与准阳山字型构造相接。自西向东形成一系列北东向弧形褶皱,与秭归向斜相交并嵌入秭归向斜之中。奉节瞿塘峡背斜以东至巫山巴东一带为上述构造体系交汇复合的部位,由于该部位应力集中,谷坡地层受多组裂隙强烈切割,历史上就是滑坡、崩塌作用强烈的地带。
三峡库区区域水文地质条件严格受长江自身的发育史控制。在背斜轴部,背斜倾没端、断层带、几组构造或断裂交接复合的部位,为平面或阶地之间的折坡陡坎地带,第四系松散堆积层与基岩交界接触带是地下水富集的场所。
三峡库区长达600的范围,属亚热带季风气候,多年平均降雨量1131.03,3~9月占全年总降雨量的60~70%,异常的暴雨、久雨天气形式比较突出,平均每年3.06次,日暴雨量普遍大于50。
2 滑坡基本地质特征和监测系统
付家岩滑坡位于重庆市万州区五梁镇三清村和石沟村。该滑坡属于国家重大工程地质灾害监测预警专项之三峡库区地质灾害防治二期专业监测预警点,于2003年9月完成应急监测网建设,同月开始实施专业监测工作。
付家岩滑坡为土质滑坡,位于天城区萱溪河东岸斜坡,其前缘至萱溪河边。滑坡发育于侏罗系中统沙溪庙组紫红色泥岩及泥质粉砂岩组成的斜坡中,滑体上部为崩坡积紫红色碎石土层。
地表位移采用监测。2003年初步设计时,在滑坡体上共布设4条监测剖面,每条剖面上设4个监测点,在滑坡体对面萱溪河(羊叉沟)左侧山梁稳定基岩上布设基准点2个(007,008),构成了由4纵4横8条监测剖面组成的地表位移GPS监测网(见表一、图一)。
滑坡体深部位移监测采用航天三院三十三所研发的型测斜仪,实行定期监测,监测频率为非汛期每月1次(1~5月,10~12月),汛期每月2次(6~9月)。遇有重大变形时,根据实际情况加密监测,监测数据处理使用软件。在该滑坡剖面上,对应于地表位移监测点WZ-131、WZ-132、WZ-133、WZ-134,共布置了4个深部位移监测孔(见图一、表二)。
3 滑坡变形监测分析
从第一次监测开始,滑坡深部位移持续增大,该滑坡在持续变形。滑坡后部变形速率明显大于中、前部,表明该滑坡具有推移式滑动的特性。2004年5月~2004年10月(雨季)以及2005年8月~2006年3月(修建高速公路,弃渣堆放在滑坡后缘)变形速率相对较大,尤其以前者为大,最大月变形量达13.96/(2004年9~10月)。说明降雨和人类工程活动与滑坡变形及变形量的大小有密切关系。就2003年9月至2004年9月1年的位移曲线来说,4条曲线近乎平行(图二),表明该滑坡具有整体滑移的特征,位移方向为S30°。
4 结束语
对付家岩滑坡,在深入分析其基本地质特征、变形特征以及形成机理的基础上,通过滑坡宏观变形特征结合滑坡监测数据揭示了滑坡变形破坏的本质及其发展趋势。通过以上分析,得出了以下结论:
(1)滑体上部即公路上部,滑体存在次级滑面,位于碎石土中。
(2)滑坡体地下水使滑坡体土体和滑移带土物理力学性质改变,降低了其抗剪强度,使滑移带土体软化,并使静水压力增大和水浮托力增大,从而造成滑坡体滑动。
(3)该滑坡具有推移式滑动的特性。
(4)该滑坡具顺层整体滑移特征,位移方向为S30°E。
(5)从滑坡监测系统有效性的角度来看,该滑坡监测布置的GPS地表位移监测、钻孔深部位移监测均发挥了一定的作用,尤其是监测主剖面上的4个深部位移监测孔有效地反映了滑坡主滑方向上的变形特征,具有一定的针对性。
(6)滑坡目前处于匀加速变形状态,但有月变形速率趋于减缓的态势。
参考文献
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变形机理 篇9
1 深井巷道底板岩体破坏机理
1.1 巷道底板岩层抗弯刚度计算
大量煤矿现场调研结果表明,回采巷道底板岩层通常为厚度不等的层状岩体,根据弹塑性力学理论,通过分析层状岩体在纵向应力作用下的(图1)应力、应变特征,可计算得出深井巷道底板岩层在未受工作面超前支承压力作用时的抗弯刚度,即完整底板岩体抵抗其弯曲变形能力,抗弯刚度表达式为[4]:
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由于底板相邻岩层之间存在弱面,其抗拉强度非常小,在受到工作面超前支承压力作用时极易发生离层,导致底板岩层不再是一个整体,单个岩层的抗弯刚度为[4]:
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式(1)、式(2)中,t1、t2、ti、tn分别为底板岩层各分层厚度;H为底板岩层总厚度;E1、E2、Ei、En分别为底板岩层各分层弹性模量;μ为底板岩体泊松比。
由式(1)可知,回采巷道完整底板抵抗弯曲变形的能力取决于岩体弹性模量E、底板岩体厚度H和泊松比μ,与三者均呈正比例关系变化。比较式(1)和(2)可知:完整底板岩层受支承压力作用发生离层后,岩层的抗弯刚度会明显减小,此时底板容易发生弯曲。
由以上对底板岩层抗弯刚度的分析计算不难发现,通过增加底板岩层的抗弯刚度来控制底板弯曲变形是控制底鼓的一种有效途径,这一理论已经在煤矿现场得到了广泛应用。如通过打底板、底角锚杆、锚索的方式,利用锚杆的“组合梁”理论,将锚固范围内的各底板岩层“装订”成一个整体,增加其相邻岩层间的黏结力,从而在一定程度上避免或减少锚固范围内的各底板岩层出现离层现象,提高底板整体的抗弯刚度。
1.2 巷道底板岩层的破坏变形
1.2.1 底板岩层离层
工作面向前推进期间,超前支撑压力通过两帮传递给底板,此时巷道底板会出现零应变面,该面以上的岩层发生垂直拉伸应变,以下的岩层则出现压缩应变,而回采巷道底板岩层的抗拉强度通常由层间弱面控制,其抵抗拉伸变形的能力很小,所以巷道底板岩层在工作面超前支承压力的作用下产生离层,底板的抗弯刚度明显降低[4,5]。
1.2.2 底板岩层压曲
底板岩层应力在支承压力作用下重新分布,产生新的水平应力,即二次水平应力[5],在此应力作用下,巷道底板岩层变形逐渐由离层转向压曲,变形量不断增加,底板稳定性随回采工作面的推进距离增加而降低。随着底板岩层变形量的不断增加,其完整性遭到不同程度的破坏,因此可将底板简化为由四边断裂的矩形板组合而成的不完整结构体,第1层的压曲计算模型如图2所示。
薄板压曲微分方程[6]:
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其中,D为抗弯刚度;ω为挠度;Nx=-px;Ny=-kpx;Nxy=0 。
结合弹塑性力学理论可计算得出第1层的压曲临界载荷:
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式中,λ=b/a(b为巷道宽);a为底板裸露长度;k为最大水平应力与最小水平应力比值。
由式(4)可知:影响底板岩层压曲临界载荷的参数概括起来主要有2类,分别是表征底板岩层力学性能的参数(E、μ)和描述底板岩层外表形态的参数(t、a、λ);底板分层厚度t、弹性模量E越大,底板岩层越不易发生压曲变形。而随着工作面的不断向前推进,二次水平应力逐渐增大,底板完整性越来越差,当达到底板岩层压曲临界载荷时底板压曲折断,以致产生滑动、剪胀等破坏形式,底鼓程度加深。
为进一步了解底板岩层压曲临界载荷px与岩层厚度t、底板裸露长度a之间的关系,取E=12.5 GPa、μ=0.3、b=4、k=1.47,代入式(4)可得:
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由式(5)不难看出:t一定时,px随a的增大而减小,且递减的速率降低,逐渐趋于平衡保持不变,这与实际中巷道走向长度越长,底板越不稳定、越容易发生底鼓的现象是一致的;a一定时,px与t呈正比例变化,且变化速率逐渐增大,这说明直接底板越厚,底板越稳定。
1.2.3 底板岩层变形过程分类
根据分析结果,结合深井巷道底板岩层力学特征,将底板岩层的变形过程分为2类:①硬岩底板,指伪底、直接底、基本底主要由比较坚硬或由完整性较好,层理、节理、裂隙不完全或不发育的岩层(如砂岩、石灰岩等)构成的底板。通常这类底板的变形过程需经历离层、剪胀、滑动、折断等阶段。②软岩底板,指主要由硬度较低或由完整性极差,层理、节理、裂隙完全发育的岩层(如炭质页岩、泥岩等)构成的底板。一般这类底板在受到采动影响时会有离层、压曲、蠕变、剪胀、滑动等变形过程[7]。
2 深井巷道底板位移监测及分析
2.1 位移监测巷道概况
某矿12091回采工作面,开采二叠系山西组下部的二1煤层,单斜构造、走向SN、倾向W、煤层倾角3°～9°、煤层厚3.1～4.6 m,底板岩石主要有泥岩、厚度不一的细砂岩、节理发育的砂质泥岩,局部有致密坚硬的硅质、泥质胶结,如图3所示。监测巷道为该工作面矩形回风巷,底板标高-635 m,地表标高762～945 m。巷道设计断面面积为12 m2,目前已有支护方式为锚网索配合工字钢联合支护,底板无支护。
2.2 巷道底板岩层位移监测方案设计
为较全面、直观反映巷道底板岩层的运移演化规律,沿巷道断面每隔0.9 m布置1个测孔,两边测孔距巷帮0.2 m,每个测孔设置5个测点,具体测点布置方式如图3所示。钻孔采用大型底板锚索机,测量仪器采用多点位移计。监测时间为50 d,每10 d读数1次,共读数5次。
2.3 巷道底板位移实测结果分析
根据巷道底板岩层的位移监测结果,分析得出底板岩层运移演化规律(图4a)。巷道开挖以后,随着暴露时间的延长,巷道底板岩层鼓起量逐渐增大,由巷道底板浅部向深部逐渐发生离层,从图4a中可看出首先发生离层的是位于第Ⅰ监测水平和第Ⅱ监测水平之间的岩层,接着Ⅱ、Ⅲ监测水平之间的岩层产生小范围离层,结合图4b、图4c、图4d可知,离层是从底板中央向巷帮方向发展的;第Ⅴ监测水平出现了负向位移,说明巷道底板岩层的零应变点存在,并介于Ⅳ、Ⅴ监测水平之间。
通过比较分析图4b、图4c、图4d可知:底板深部岩层变形量远小于浅部岩层,且底板变形量中央远大于两边;零应变点以上的岩层较下部岩层更容易产生离层现象,这与理论分析结果是一致的;随着巷道暴露时间的增加,已发生离层的岩层变形量急剧增大,并且由巷道中部向两边递减,同一离层也由中部向两边不规则发展,这与前面分析的底板刚度降低及压曲过程是一致的;离层发展到一定水平,底板岩体变化逐渐趋于稳定。
3 结论
(1)利用锚杆的“组合梁”理论,将底板岩层“装订”成一个整体,增加其相邻岩层间的黏结力,一定程度上可避免或减少锚固范围内的各底板岩层发生离层,提高底板整体的抗弯刚度,从而控制深井巷道底鼓。
(2)深井巷道底板岩层的变形过程一般需经历离层、压曲、滑移、剪胀、蠕变等阶段,底板岩层的坚硬程度不同,变形过程一般不同。
(3)深井巷道底板岩层的离层一般出现在底板零应变点之上,且由浅部逐渐向深部发展,由底板中央向两边扩展。
摘要：为对深井巷道底鼓进行有效防治,需对底板岩体变形破坏机理进行研究,掌握底板岩体运移演化规律。利用弹塑性力学理论计算了巷道底板岩层的抗弯刚度和压曲临界载荷,得出了不同底板裸露长度、不同底板厚度情况下的压曲临界载荷曲线;以滑移线场理论为基础,以煤矿现场实测数据为参考,分析了底板岩层塑性区内岩体的运移演化过程,得出了塑性区内岩体的运移路径。
关键词：底鼓,破坏机理,运移路径,抗弯刚度,临界载荷
参考文献
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